纖維混凝土抗沖擊性能試驗(yàn)研究

魏 驍

（山西瑞通路橋新技術(shù)有限公司，山西 太原 030031）

0 引言

隨著對(duì)纖維混凝土的研究日益深入，其在交通工程中的應(yīng)用也愈加廣泛，路面鋪裝、加固補(bǔ)強(qiáng)、抗震節(jié)點(diǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用愈加普及化。大連理工大學(xué)徐世教授的研究團(tuán)隊(duì)研制出峰值荷載對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)變相較于普通混凝土高出3～6倍的PVA-FRCCs[1]；重慶交通大學(xué)的尹玉龍對(duì)不同摻量的玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行研究，得出在混凝土中適量摻入玄武巖纖維，會(huì)降低其工作性能，但是抗壓強(qiáng)度，劈裂強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均有不同程度的提升，韌性提升明顯[2]；陳江平等人對(duì)聚丙烯纖維混凝土建立了PPRC數(shù)值分析模型，并通過(guò)研究得出，隨著聚丙烯纖維摻量的提升，PPRC的彎折強(qiáng)度和韌性也相應(yīng)地得到提升[3]。相較于纖維混凝土靜態(tài)力學(xué)的研究，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究相對(duì)較少，本文主要通過(guò)落錘沖擊試驗(yàn)，對(duì)3種不同纖維種類和摻量的纖維混凝土抗沖擊性能進(jìn)行分析討論。

1 試驗(yàn)原材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用石井水泥公司所生產(chǎn)的P.0 42.5R普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用70～140目精選優(yōu)質(zhì)石英砂，骨料粒徑為0.1～0.2 mm；拌和水采用普通自來(lái)水；粉煤灰采用廣東中山地區(qū)某火力發(fā)電廠所生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；減水劑采用上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑。試驗(yàn)中用到3種纖維，其中聚乙烯醇纖維（PVA）是日本Kuraray公司生產(chǎn)的K-Ⅱ可樂(lè)綸，玄武巖纖維（BF）是海寧安捷復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，聚丙烯纖維（PP）是匯祥纖維工廠生產(chǎn)的聚丙烯纖維。纖維的性能參數(shù)如表1所示，外觀如圖1所示。

圖1 纖維

表1 纖維性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法

沖擊設(shè)備采用意大利生產(chǎn)的CEAST 9350落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（如圖2），該儀器可通過(guò)自帶的高精度傳感器記錄沖擊能量、沖擊力、沖擊速度等數(shù)據(jù)。該次研究的沖擊性能試驗(yàn)為一次沖擊破壞試驗(yàn)，采用質(zhì)量為50.239 kg的錘頭，從600 mm的高度自由落下，作用在直徑152 mm，厚63.5±3 mm的圓餅試件上，單次沖擊勢(shì)能為295.53 J。通過(guò)采集破壞時(shí)的作用時(shí)間、沖擊力、落錘侵入試件深度和能量吸收速度來(lái)綜合判斷不同纖維混凝土的抗沖擊性能的優(yōu)劣。

圖2 CEAST 9350落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)

1.3 試驗(yàn)配合比

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的配合比設(shè)計(jì)要考慮到纖維、基體、界面之間的力學(xué)關(guān)系，使試件在受到?jīng)_擊荷載作用下充分發(fā)揮纖維穿過(guò)裂縫的纖維橋特性，并要保證試件在受到荷載作用后到達(dá)穩(wěn)態(tài)開(kāi)裂和多縫開(kāi)裂的效果[4-6]。該研究配合比在ECC-M45的基礎(chǔ)上[7]，為了分析不同纖維種類和摻量對(duì)混凝土抗沖擊性能的影響，設(shè)計(jì)了無(wú)纖維摻入的水泥砂漿基體試件和3種纖維不同摻量的纖維混凝土試件進(jìn)行對(duì)比。具體配合比見(jiàn)表2。

表2 配合比

2 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與分析

2.1 時(shí)間-荷載曲線

纖維混凝土在受到?jīng)_擊荷載破壞時(shí)所能承受的沖擊力可以直觀地反應(yīng)出其抗沖擊性能的優(yōu)劣，故用落錘沖擊試件過(guò)程中的峰值承載力來(lái)作為判斷不同纖維混凝土抗沖擊性能的指標(biāo)之一。圖3列出相同纖維摻量，不同纖維種類的荷載-時(shí)間曲線。

圖3 不同纖維種類荷載-時(shí)間曲線

從圖3中可以看出，摻入相同體積的PVA、BF、PP纖維，其中PVA纖維對(duì)試件的峰值承載力提升最大，BF纖維在低摻量時(shí)表現(xiàn)優(yōu)于PP纖維，3種試件的峰值承載力均高于基體材料。這是因?yàn)镻VA纖維與水泥材料有著更好的兼容性，不僅可以在前期彌補(bǔ)水泥基體內(nèi)的缺陷，而且PVA纖維分子鏈上的醇羥基與水泥水化物中的羥基形成氫鍵，從而產(chǎn)生更好的化學(xué)黏結(jié)，使PVA纖維在沖擊荷載作用下需要更大的能量才能拔出；而B(niǎo)F纖維在摻量較大時(shí)，雖然有更多的纖維參與吸能，但由于BF纖維的密度遠(yuǎn)大于其他兩種纖維，在等體積的情況下，摻入BF纖維的質(zhì)量要大于另外兩種纖維，造成材料在拌和時(shí)產(chǎn)生纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象的頻率增加，提升纖維摻量的增強(qiáng)作用被削弱作用抵消一部分；而PP纖維由于其破壞時(shí)發(fā)生纖維拔斷破壞，導(dǎo)致纖維作用時(shí)間較短，低摻量時(shí)同時(shí)提供橋聯(lián)作用的纖維數(shù)量較少，當(dāng)提高PP纖維的摻量，這樣的情況有所改善[8]。因此摻入體積0.5%的纖維時(shí)，BF纖維對(duì)試件的峰值承載力提升優(yōu)于PP纖維，當(dāng)纖維摻量提高到1.0%和1.5%時(shí)，BF纖維和PP纖維的增強(qiáng)效果接近。

2.2 位移-荷載曲線

對(duì)抗沖擊試驗(yàn)中纖維混凝土試件的沖擊壓縮深度進(jìn)行分析，若沖擊壓縮深度越小，說(shuō)明混凝土試件抵御沖擊變形的能力越強(qiáng)，抗沖擊性能也越好。下面列出了相同纖維摻量，不同纖維種類的位移-時(shí)間曲線，如圖4所示。

圖4 不同纖維種類位移-時(shí)間曲線

從圖4中可以看出，在摻入體積0.5%的PVA、BF、PP纖維的試件中，摻入PVA纖維的試件沖擊壓縮深度最小，PP纖維的次之，BF纖維的壓縮深度最高；摻入體積1.0%的PVA、BF、PP纖維，其中摻入PVA纖維的試件沖擊壓縮深度最小，但是摻入PP和BF纖維的試件壓縮深度幾乎相同；摻入體積1.5%的PVA、BF、PP纖維，依然是摻入PVA纖維的試件沖擊壓縮深度最小，但這時(shí)摻入BF纖維的試件沖擊壓縮深度要小于摻入PP纖維的試件。在纖維混凝土受到?jīng)_擊荷載作用時(shí)，基體內(nèi)亂向分部的纖維可以迅速地將能量傳遞給相鄰區(qū)域，使得能量在試件中分布更加均勻，而非集中在一個(gè)區(qū)域上，當(dāng)能量全部消耗后或者試件達(dá)到極限狀態(tài)破壞后，落錘回彈，位移量下降。纖維傳遞能量性能的好壞受到纖維種類、纖維與基體的兼容性等多種因素影響，通過(guò)圖4可以得出，對(duì)于纖維混凝土抵抗變形的能力提升，PVA纖維效果最佳，在低摻量時(shí)PP纖維可以得到更好的效果，當(dāng)摻量提高時(shí)，BF纖維可以得到更好的效果。

2.3 能量-荷載曲線

在沖擊荷載作用下，纖維混凝土吸能的速度也是衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)，是其應(yīng)用于實(shí)際工程中不可缺少的一個(gè)重要參考因素。通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，試件的吸能速度幾乎不受纖維摻量的影響，主要受到纖維種類的影響。試件的能量-時(shí)間曲線如圖5所示。

圖5 不同纖維摻量、種類能量-時(shí)間曲線

從圖5a、b、c中可以看出，在纖維種類相同的情況下，改變纖維的摻量，其能量-時(shí)間曲線幾乎沒(méi)有變化。這說(shuō)明，材料吸能的速度受纖維摻量的影響不大。由于纖維摻量對(duì)其吸能速度的影響不大，故將1%纖維摻量的3種纖維混凝土放到一起比較，從圖5d中可以看出，摻入PVA纖維的試件吸能最快，而摻入BF纖維和PP纖維的試件吸能速度接近。這說(shuō)明在沖擊荷載作用下，不同纖維對(duì)材料吸能速度的提升效果為PVA優(yōu)于BF和PP纖維。

3 結(jié)語(yǔ)

a）纖維的摻入大幅提升了試件的抗沖擊能力，其中PVA纖維的提升效果最為明顯。

b）纖維的摻入使得試件所能承受的峰值荷載得到明顯的提升，就纖維種類而言，PVA纖維對(duì)試件峰值承載力的提升最為明顯，BF纖維和PP纖維提升效果接近。

c）纖維種類對(duì)試件抵抗變形能力效果的提升：PVA纖維的效果最佳，在低摻量時(shí)，PP纖維效果優(yōu)于BF纖維；當(dāng)摻量提高時(shí)，BF纖維優(yōu)于PP纖維。

d）試件的吸能速度幾乎不受纖維摻量的影響，主要受到纖維種類的影響。其中纖維種類對(duì)材料吸能速度的提升效果為PVA優(yōu)于BF和PP纖維。